Verteilte Systeme - V+EÜ (VS)7.5 ECTS
(englische Bezeichnung: Distributed Systems - L+EE)
(Prüfungsordnungsmodul: Verteilte Systeme (Vorlesung mit erweiterten Übungen))

Lehrveranstaltungen:

• • Verteilte Systeme
    (Vorlesung, 2 SWS, Tobias Distler, Do, 12:15 - 13:45, 0.031-113)
  • Erweiterte Übungen zu Verteilte Systeme
    (Übung, 4 SWS, Michael Eischer et al., Di, 10:00 - 12:00, 02.151-113 b CIP; ab 20.4.2021)

Empfohlene Voraussetzungen:

Gute Programmierkenntnisse in Java

Inhalt:

Verteilte Systeme bestehen aus mehreren Rechnern, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Dienst erbringen. Obwohl die beteiligten Rechner hierfür in weiten Teilen unabhängig voneinander agieren, erscheinen sie ihren Nutzern gegenüber in der Gesamtheit dabei trotzdem als ein einheitliches System. Die Einsatzmöglichkeiten für verteilte Systeme erstrecken sich über ein weites Spektrum an Szenarien: Von der Zusammenschaltung kleinster Rechenknoten zur Sammlung von Daten im Rahmen von Sensornetzwerken über Steuerungssysteme für Kraftfahrzeuge und Industrieanlagen bis hin zu weltumspannenden, Internet-gestützten Infrastrukturen mit Komponenten in Datenzentren auf verschiedenen Kontinenten.

Ziel dieses Moduls ist es, die sich durch die speziellen Eigenschaften verteilter Systeme ergebenden Problemstellungen zu verdeutlichen und Ansätze zu vermitteln, mit deren Hilfe sie gelöst werden können; Beispiele hierfür sind etwa die Interaktion zwischen heterogenen Systemkomponenten, der Umgang mit erhöhten Netzwerklatenzen sowie die Wahrung konsistenter Zustände über Rechnergrenzen hinweg. Gleichzeitig zeigt das Modul auf, dass die Verteiltheit eines Systems nicht nur Herausforderungen mit sich bringt, sondern auf der anderen Seite auch Chancen eröffnet. Dies gilt insbesondere in Bezug auf die im Vergleich zu nicht verteilten Systemen erzielbare höhere Widerstandsfähigkeit eines Gesamtsystems gegenüber Fehlern wie den Ausfällen ganzer Rechner oder sogar kompletter Datenzentren.

Ausgehend von den einfachsten, aus nur einem Client und einem Server bestehenden verteilten Systemen, beschäftigt sich die Vorlesung danach mit der deutlich komplexeren Replikation der Server-Seite und behandelt anschließend die Verteilung eines Systems über mehrere, mitunter weit voneinander entfernte geografische Standorte. In allen Abschnitten umfasst die Betrachtung des jeweiligen Themas eine Auswahl aus Grundlagen, im Praxiseinsatz befindlicher Ansätze und Techniken sowie für den aktuellen Stand der Forschung repräsentativer Konzepte.

Im Rahmen der Übungen wird zunächst ein plattformunabhängiges Fernaufrufsystem schrittweise entwickelt und parallel dazu getestet. Als Vorlage und Orientierungshilfe dient dabei das in der Praxis weit verbreitete Java RMI. In den weiteren Übungsaufgaben stehen anschließend klassische Problemstellungen von verteilten Systemen wie fehlertolerante Replikation und verteilte Synchronisation im Mittelpunkt.

Lernziele und Kompetenzen:

Studierende, die das Modul erfolgreich abgeschlossen haben:

• beschreiben charakteristische Merkmale und Eigenschaften verteilter Systeme sowie grundlegende Probleme im Zusammenhang mit ihrer Realisierung.

• untersuchen die Unterschiede zwischen lokalen Methodenaufrufen und Fernmethodenaufrufen.

• vergleichen Ansätze zur Konvertierung von Nachrichten zwischen verschiedenen Datenrepräsenationen.

• konzipieren eine eigene auf Java RMI basierende Anwendung.

• entwickeln ein eigenes Fernaufrufsystem nach dem Vorbild von Java RMI.

• bewerten die Serialisierungsroutinen von Java RMI.

• erproben die manuelle Serialisierung von Nachrichten.

• bewerten die Performanz des eigenen Fernaufrufsystems.

• gestalten ein Modul zur Unterstützung verschiedener Fernaufrufsemantiken (Maybe, Last-of-Many, At-Most-Once) für das eigene Fernaufrufsystem.

• beurteilen auf Basis eigener Experimente mit Fehlerinjektionen die Auswirkungen von Störeinflüssen auf verschiedene Fernaufrufsemantiken.

• klassifizieren Mechanismen zur Bereitstellung von Fehlertoleranz, insbesondere verschiedene Arten der Replikation (aktiv vs. passiv).

• entwickeln ein eigene aktiv replizierte Anwendung zur Erforschung der mit dieser Replikationsart verbundenen Problemstellungen (z.B. Determinismus).

• konzipieren einen Zustandstransfermechanismus für die eigene replizierte Anwendung, mit dessen Hilfe der Neustart von Replikaten toleriert werden kann.

• vergleichen verschiedene Konsistenzgarantien georeplizierter Systeme.

• illustrieren das Problem einer fehlenden gemeinsamen Zeitbasis in verteilten Systemen.

• erforschen logische Uhren als Mittel zur Reihenfolgebestimmung und Methoden zur Synchronisation physikalischer Uhren.

• unterscheiden grundlegende Zustellungs- und Ordnungsgarantien beim Multicast von Nachrichten.

• gestalten ein Protokoll für den zuverlässigen und totalgeordneten Versand von Nachrichten in einer Gruppe von Knoten.

• entwickeln einen Dienst zur Verwaltung verteilter Sperrobjekte auf Basis von Lamport-Locks.

• bewerten die Qualität einer aktuellen Publikation aus der Fachliteratur.

• erschließen sich typische Probleme (Nebenläufigkeit, Konsistenz) und Fehlerquellen bei der Programmierung verteilter Anwendungen.

• können in Kleingruppen kooperativ arbeiten.

• können ihre Entwurfs- und Implementierungsentscheidungen kompakt präsentieren und argumentativ vertreten.

• reflektieren ihre Entscheidungen kritisch und leiten Alternativen ab.

• können offen und konstruktiv mit Schwachpunkten und Irrwegen umgehen.
  

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Artificial Intelligence (Master of Science)
   (Po-Vers. 2021s | TechFak | Artificial Intelligence (Master of Science) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodulbereich | AI Systems and Applications | Verteilte Systeme (Vorlesung mit erweiterten Übungen))

Studien-/Prüfungsleistungen:

Verteilte Systeme (Vorlesung mit erweiterten Übungen) (Prüfungsnummer: 743260)

(englischer Titel: Distributed Systems (Lecture with extended Exercises))

Prüfungsleistung, mehrteilige Prüfung, benotet, 7.5 ECTS

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
Erfolgreiche Bearbeitung aller 6 Übungsaufgaben zu den erweiterten Übungen (Bewertung jeweils mit "ausreichend") und 30-minütige mündliche Prüfung.
Die Modulnote ergibt sich zu 100% aus der Bewertung der mündlichen Prüfung.

Prüfungssprache: Deutsch

Erstablegung: SS 2021, 1. Wdh.: WS 2021/2022

1. Prüfer:

Tobias Distler